2205 雙相不銹鋼在NH4Cl 垢下腐蝕行為研究

殷雪峰，莫少明，韓 磊，蘭正貴

(中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

雙相不銹鋼(簡稱雙相鋼)是由奧氏體與鐵素體兩種金相組織所組成的中合金型不銹鋼，其兩相組織分別存在，且含量較大，一般最少相含量大于30%，最常見的兩相組織約各占50%或奧氏體含量稍高。由于雙相鋼將奧氏體不銹鋼具有的優(yōu)良韌性和良好的焊接性能與鐵素體不銹鋼具有的較高強(qiáng)度和良好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能結(jié)合在一起［1］，使其得到了廣泛的應(yīng)用。尤其在石化行業(yè)，應(yīng)用于氯化物、硫化物等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)存在的環(huán)境中，雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能［2］。但雙相鋼在NH4Cl 介質(zhì)中發(fā)生的點(diǎn)蝕仍不可忽視。對碳鋼、雙相鋼在上述介質(zhì)中的腐蝕問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究與分析，以便在實(shí)際工程中確定合理的材料使用范圍。

1 現(xiàn)場腐蝕情況

常壓塔頂系統(tǒng)和加氫反應(yīng)餾出物系統(tǒng)常遭受NH4Cl 結(jié)鹽腐蝕問題，這些系統(tǒng)可產(chǎn)生高濃度的NH4Cl 水溶液環(huán)境，或者潮濕的NH4Cl 環(huán)境，從而對設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕［3］。中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司(青島煉化)常壓塔頂空冷2205 管束其腐蝕形貌見圖1。

圖1 青島煉化常壓塔頂空冷管束SEM 照片

2 實(shí)驗(yàn)方法

試樣材質(zhì)分別為20 號碳鋼和2205 雙相鋼，加工成φ31.68 mm ×6.48 mm 圓片，置于專用的垢下腐蝕夾具中，暴露面積為788 mm2。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境分別為:60 ℃下5 000 mg/L 的NH4Cl 水溶液，室溫下(約25 ℃)潮濕的NH4Cl及60 ℃下潮濕的NH4Cl。

實(shí)驗(yàn)主要采取質(zhì)量損失法測量腐蝕速率(NH4Cl 溶液中同時(shí)采用了線性極化電阻法(LPR)測量腐蝕速率);同時(shí)對腐蝕后的試樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)表面形貌觀察及能譜分析(EDX)微區(qū)元素分布測量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 質(zhì)量損失實(shí)驗(yàn)

碳鋼和2205 在NH4Cl 水溶液及潮濕NH4Cl中的質(zhì)量損失實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 質(zhì)量損失實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 NH4Cl 水溶液中的腐蝕

碳鋼在NH4Cl 水溶液總體呈均勻腐蝕，腐蝕速率在1 mm/a 的數(shù)量級(見表2)。微觀形貌顯示實(shí)際上碳鋼表面發(fā)生的是全面的點(diǎn)蝕，但在宏觀上呈現(xiàn)為均勻腐蝕，碳鋼在60 ℃水溶液中腐蝕形貌見圖2。

2205 在NH4Cl 水溶液中發(fā)生點(diǎn)蝕，絕大部分表面未腐蝕，但出現(xiàn)局部蝕孔(見圖3)。全面腐蝕速率很低，在4 d 的實(shí)驗(yàn)周期中幾乎沒有失質(zhì)量，而電化學(xué)方法測得的腐蝕速率為0.001 7 mm/a(見表3)。

表2 碳鋼在NH4Cl 水溶液中的LPR 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 碳鋼清除腐蝕產(chǎn)物后腐蝕形貌

圖3 2205 清除腐蝕產(chǎn)物后腐蝕形貌

表3 2205 在NH4Cl 水溶液中的LPR 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對蝕孔內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDX 元素分析，顯示其中含有Cl 和O 元素，這是典型的氯化物腐蝕產(chǎn)物，見表4 和圖4。而清洗掉腐蝕產(chǎn)物后，蝕坑內(nèi)的新鮮金屬表面含有Fe 和Cr 元素，但是沒有Ni。有文獻(xiàn)指出這是雙相鋼中的奧氏體相優(yōu)先被腐蝕的結(jié)果［4-6］。

表4 蝕空內(nèi)腐蝕產(chǎn)物EDX 分析

圖4 蝕孔內(nèi)腐蝕產(chǎn)物形貌

3.3 潮濕NH4Cl 中的腐蝕

(1)碳鋼在潮濕NH4Cl 環(huán)境中產(chǎn)生的腐蝕形貌與在NH4Cl 溶液中類似(見圖5 至圖7)，只是相對更為嚴(yán)重，微觀上看是全面的點(diǎn)蝕，而宏觀上表現(xiàn)為均勻腐蝕，隨溫度升高，腐蝕加?。?］。腐蝕產(chǎn)物的EDX 元素分析顯示含有Cl，O 和N 元素(見表5 和圖7)。

圖5 碳鋼去除腐蝕產(chǎn)物前腐蝕形貌

圖6 碳鋼清除腐蝕產(chǎn)物后腐蝕形貌

圖7 碳鋼腐蝕產(chǎn)物形貌

表5 表面腐蝕產(chǎn)物EDX 分析

(2)2205 在潮濕NH4Cl 環(huán)境中的全面腐蝕速率很低，但是產(chǎn)生局部垢下點(diǎn)蝕［8］。常溫下暴露17 d 的試樣表面局部產(chǎn)生一些淺蝕斑，存在少量蝕孔(見圖8);60 ℃下暴露9 d 的試樣產(chǎn)生的淺蝕斑不如前者面積大，但是蝕孔的尺寸更大，深度也更深，清理產(chǎn)物后形貌見圖9。

對清洗掉腐蝕產(chǎn)物后的試樣進(jìn)行EDX 微區(qū)元素分析，淺蝕斑處被腐蝕掉的部分缺少Ni，蝕坑內(nèi)的新鮮表面同樣沒有Ni，這表明與在NH4Cl溶液中的情況類似，2205 的奧氏體相優(yōu)先被腐蝕(見表6 和圖10)，表7 是蝕孔內(nèi)EDX 分析結(jié)果。

圖8 2205 常溫腐蝕后形貌

圖9 2205 在60 ℃腐蝕后的形貌

表6 表面蝕斑EDX 分析

圖10 表面蝕斑形貌

表7 蝕孔內(nèi)EDX 元素分析

4 結(jié)論

(1)青島煉化常壓塔頂失效2205 空冷管束腐蝕形貌與實(shí)驗(yàn)室2205 試樣NH4Cl 垢下腐蝕形貌十分類似。

(2)碳鋼在NH4Cl 水溶液和潮濕NH4Cl 鹽環(huán)境下宏觀上表現(xiàn)為均勻腐蝕，但微觀上均為全面的點(diǎn)蝕。潮濕NH4Cl 的垢下腐蝕比NH4Cl 水溶液嚴(yán)重，且溫度升高腐蝕加劇。在60 ℃時(shí)碳鋼在潮濕NH4Cl 鹽下的腐蝕速率高達(dá)6.27 mm/a。

(3)2205 在高濃度NH4Cl 溶液和潮濕鹽環(huán)境下的腐蝕均為局部點(diǎn)蝕，其絕大部分表面不腐蝕，均勻腐蝕速率很低。在60 ℃時(shí)雙相鋼在潮濕NH4Cl 鹽下的腐蝕速率高達(dá)0.039 mm/a。但局部蝕孔深度大大深于同條件下的碳鋼。在NH4Cl水溶液中主要是少量點(diǎn)蝕坑，而在潮濕NH4Cl 的垢下腐蝕表現(xiàn)出局部淺蝕斑伴隨少量深蝕坑，潮濕NH4Cl 中的蝕坑深度要深于NH4Cl 水溶液中蝕坑。但無論哪種情況都發(fā)現(xiàn)被腐蝕區(qū)域內(nèi)Ni含量缺失，奧氏體相優(yōu)先被腐蝕。

(4)2205 也不能耐受高濃度的NH4Cl 溶液，特別是當(dāng)注水不足或分散不均，存在沒有被洗去的潮濕NH4Cl 鹽時(shí)，情況更嚴(yán)重，由于發(fā)生嚴(yán)重的局部點(diǎn)蝕，可能出現(xiàn)在較短周期內(nèi)就腐蝕穿孔的情況。

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